CN102810591A

CN102810591A - 一种增效电-热联用太阳电池组件及其制备方法

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Publication number: CN102810591A
Application number: CN2012102717700A
Authority: CN
Inventors: 李宾; 戴干策; 陈光伟; 沈春银; 潘敏; 孙斌
Original assignee: East China University of Science and Technology
Current assignee: East China University of Science and Technology
Priority date: 2012-08-01
Filing date: 2012-08-01
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2032-08-01
Also published as: CN102810591B

Abstract

本发明涉及一种增效电-热联用太阳电池组件，包括便于输送换热介质的框体及安装于该框体内的组件结构，所述的组件结构依次由透光前板、透明EVA层、被封装胶膜密封的太阳电池芯片及电路、导热复合EVA背封胶膜以及换热背封件构成；所述的导热复合EVA背封胶膜为高导热填料复合EVA背封绝缘胶膜；所述换热背封件为具有强化传热流道或梳齿结构的封闭背封件；导热复合EVA背封胶膜与换热背封件直接层压贴合。本发明通过功能复合改性的方法提高传热效率，强化换热面积大，传热流程短，可靠性高；不改变典型电-热联用太阳能电池组件的基本结构及外形，组件的体积和重量变化很小，成本低，便于安装、使用和维护。

Description

一种增效电-热联用太阳电池组件及其制备方法

【技术领域】

本发明涉及太阳电池组件技术领域，具体地说，是一种增效电-热联用太阳电池组件及其制备方法。

【背景技术】

能源需求的不断增长，以及传统化石能源所面临的资源、环境等问题，促使开发利用绿色的可再生能源成为人类社会的必然选择。作为一种清洁的可再生能源，太阳能已经在世界各国广泛应用。太阳能光伏发电能够直接生产便于输送、储存、转换和利用的高品位能量-电能，因而更加受到人们的重视和亲睐。光伏发电目前亟待解决的主要问题是进一步提高光-电转换效率及太阳能综合利用率、延长使用寿命和降低成本。太阳能电池组件主要以半导体材料(如：晶体硅等)为基础制造，其工作原理是半导体光电材料吸收光能后发生光-电转换效应而产生电流；基本结构包括框架及组装于框架内的组件结构，所述组件结构包括透光的前板(如：玻璃、透光塑料等)、用透明密封材料(通常采用树脂，如EVA胶膜)封装的光-电转换芯片(电力生产单元)及背封保护件(如：TPT/TPE等)，太阳光透过前板照射在光-电转换芯片上，通过光-电转换效应直接将光能转换为电能，并用与电池组件配套的接线盒，将电能输出。

然而，太阳能光伏电池在工作中，只能将一小部分光能转换成电能。以目前市场上占绝大多数的晶体硅太阳电池为例，其平均效率一般在15％左右；也就是说太阳电池只能将入射太阳能的15％转换成可用的电能，其余的85％大都被转化为热能散掉；而单结单晶硅的理论光-电转换效率约为33％。根据晶体硅的半导体特性，温度每升高1℃，其光-电转换效率将降低0.4％左右；因此，温度升高将使电池组件的输出功率明显降低。光伏电池工作时，会受到日光中大量的红外热辐射，光-电转换过程也会产生特有的耦合热效应；如果不能有效传导并转换利用，将导致电池组件的温度过高，光-电转换效率显著降低，且大量热能被浪费；同时还将加速电池组件的老化损坏，缩短太阳能电池的使用寿命；尤其对聚光型光伏电池更是如此。

针对上述问题，有效的改善方法之一是在电池组件背面附加换热装置，并运用各种液体循环导热介质进行传热和利用，也称电-热联用(PV-T)技术。但由于EVA封装材料的热导率很低(实测仅为0.28W/mk)，电池组件的传热热阻主要在封装胶膜处；因此，现有电-热联用技术的实际传热效果不够理想，电池的光-电转换效率及太阳能综合利用率亟待提高。同时，附加的换热循环系统，提高了组件成本，并使整套PV-T组件结构更为复杂，运行维护更加困难，可靠性下降；占用空间及重量的明显增大，给安装带来不便，也影响了电池组件的美观性和实用性。

【发明内容】

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种增效电-热联用太阳电池组件及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种增效电-热联用太阳电池组件，包括便于输送换热介质(如：空气、水)的框体及安装于该框体内的组件结构，所述组件结构依次由透光前板、透明EVA层、被封装胶膜密封的太阳电池芯片及电路、导热复合EVA背封胶膜以及换热背封件构成；其特征在于，所述的导热复合EVA背封胶膜为高导热填料复合EVA背封绝缘胶膜；所述换热封闭背封件为具有强化换热流道或梳齿结构的封闭背封件；导热复合EVA背封胶膜与换热背封件直接层压贴合。可将组件吸收及产生的热量高效地传递至换热背封件；电池组件工作时，接收的红外辐射热和耦合产生的热量，能通过高导热的背封胶膜及强化换热的背封件更有效地传递和换热利用。

所述的导热复合EVA背封胶膜为EVA树脂与高导热绝缘填料经过功能复合而制得的高导热复合EVA背封绝缘胶膜，是由下列物质按重量份数的配比所制成：

乙烯-醋酸乙烯共聚物料粒100份、有机过氧化物交联固化剂0.5～2.0份、导热填料50～350份、抗氧化剂0.1～1.0份、紫外光吸收剂0.1～1.0份、光稳定剂0.1～1.0份、硅烷偶联剂1.0～5.0份。

所述导热绝缘填料为BN、Si₃N₄、B₄C、晶硅粉或SiC中的一种，其粒度范围约为0.1～10μm。

一种导热复合EVA背封胶膜的制备方法，其具体步骤为：

先用0.5～3.0份偶联剂对50～350份的导热填料进行润湿、干燥和分散预处理；再将预处理的导热填料与0.5～2.0份的交联固化剂混合均匀；然后，将其与100份乙烯-醋酸乙烯共聚物料粒、剩余的0.5～2.0份硅烷偶联剂、0.1～1.0份抗氧化剂、0.1～1.0份紫外光吸收剂和0.1～1.0份光稳定剂的预混物混合均匀后，进行共混挤出，温度控制在90～110℃，挤出物经压延、冷却、牵引、卷取工序，即得到本发明的导热复合EVA背封胶膜。

所述的换热封闭背封件由导热复合材料或金属制成，具有强化换热流道或梳齿结构；导热复合材料由高导热填料填充耐候型聚合物树脂，制得导热复合材料后，模塑而成；强化换热流道采用具有导流挡板、截面为方形的流道，呈平行排列；换热梳齿则采用具有较大换热表面积的三～八星柱型，以及三角柱、方柱和圆柱型，呈错行排布。普通的散热背封件只针对普通光伏电池组件，通过强化散热，降低电池温度，来提高其光-电转换效率；而本发明专利则是针对电-热联用光伏组件的，通过强化换热，不仅可以更有效地降低电池温度，来提高其光-电转换效率；而且能最大限度地收集利用换热所得的热能，提高了太阳能的综合利用率。普通的增效光伏组件采用散热背封件或普通背膜；而本发明专利则采用二种类型的强化换热封闭背封件。

所述高导热填料为石墨、铝粉或铜粉中的一种；

所述耐候型聚合物树脂为聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、PET、PBT、ABS、PVC或聚偏二氯乙烯中的一种。

所述电池组件框体由铝合金制成，并加工成便于输送换热介质(如：空气、水)的结构。

上述技术方案中，所述组件结构中的透光前板、透明EVA层、被封装胶膜密封的太阳电池芯片及电路均为现有成熟技术，适用目前各种组合的组件结构，例如：光伏玻璃前板+透明EVA胶膜+硅太阳电池芯片及电路。所述高导热背面封装胶膜由密封树脂(如：EVA等)与高导热绝缘填料(如：BN、Si₃N4、B₄C、晶硅粉、SiC等)经过功能复合共混挤出后，压延或流延制得。如图所示，所述强化换热的背封件是一种具有强化换热流道或梳齿的换热封闭背封件，可由高导热填料(如：石墨、铝粉、铜粉等)填充耐候型聚合物树脂(如：聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、PET、PBT、ABS、PVC或聚偏二氯乙烯等)，制得导热复合材料后，模塑而成；也可采用导热金属材料(如：铝合金、铜等)加工制成；强化换热流道采用具有导流挡板、截面为方形的流道，呈平行排列；散热梳齿则可采用具有较大换热表面积的星柱型(如：三～八星柱)，也可采用简单的三角柱、方柱和圆柱型，呈错行排布。所述便于输送换热介质的框体，是在框体的前、后边上加工出便于输送换热介质的结构。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

(1)本发明应用所开发的高导热EVA功能复合胶膜，直接增大电-热联用电池组件传热过程最大热阻处(封装胶膜)的热导率；并与具有强化换热流道或梳齿的换热背封件进行直接层压贴合，强化换热面积大，传热流程短，可以成倍地提高封装胶膜和背封件的热传导和换热性能；能更有效地传换热量和降低电池组件的工作温度，进而提高光伏电池的光-电转换效率、太阳能综合利用率和组件的使用寿命。

(2)本发明未采用循环介质进行传、换热量，而以直接可用的空气或水作为换热介质，热能利用率高，结构简单，可靠性高，且方便、实用、安全；加热后的空气或水可直接使用。

(3)本发明采用的技术方案保持了典型光伏电池组件的结构外形，成本低；组件的体积和重量变化不大，便于安装、使用和维护；是一个高效、简洁、实用、低成本的技术方案。

【附图说明】

图1为电-热联用光伏电池组件的层压断面剖视结构示意图；

图2为电-热联用(换热介质为空气)光伏电池组件的整体结构示意图；

图3为电-热联用(换热介质为水)光伏电池组件的整体结构示意图；

图4为强化换热封闭背封件中换热流道平行排列的示意图；

图5为强化换热封闭背封件中换热梳齿柱错行排布及各种柱形截面的示意图；

附图中的标号为：1透光前板(光伏玻璃或塑料)；2透明EVA层；3太阳电池芯片及电路；4导热复合EVA背封胶膜；5背封件；6框体；7电池芯片；8空气进口；9抽气口；10进水口；11出水口；12导流挡板。

【具体实施方式】

以下提供本发明一种增效电-热联用太阳电池组件及其制备方法的具体实施方式。

实施例1

如图1、图3、图4，图5所示，一种电-热联用太阳电池组件，包括便于输送换热介质(水)的组件框体6及安装于该框体6内带有强化换热背封件的组件结构；所述组件结构包括：光伏玻璃制成的透光前板1、透明EVA密封层2、被透明EVA密封层2和导热复合EVA背封胶膜4封装的电池芯片与电路3，以及具有强化换热流道的换热封闭背封件5。所述透光前板(光伏玻璃或塑料)1、透明EVA层2、太阳电池芯片及电路3均采用现有成熟技术，适用目前各种组合的太阳电池结构。所述导热复合EVA背封胶膜4由EVA树脂与高导热绝缘填料BN及其它组份经过功能复合共混挤出后，压延制得；该导热背封胶膜与强化换热背封件5直接层压贴合，可以将组件接收的红外辐射热和耦合产生的热量高效地传递至强化换热背封件5并热交换；极大地提升了背封胶膜的传热效果，以及电-热联用电池组件的光-电转换效率和太阳能综合利用率。

本实施例中，按如下工艺制备高导热复合EVA背封绝缘胶膜4：

先用2.0份硅烷偶联剂对230份平均粒径约1.8μm的导热绝缘填料BN进行润湿、干燥和分散预处理；再将预处理的导热填料BN与1.5份的交联固化剂混合均匀；然后，将其与100份乙烯-醋酸乙烯共聚物料粒、剩余的1.5份硅烷偶联剂、0.3份抗氧化剂、0.2份紫外光吸收剂和0.2份光稳定剂的预混物混合均匀后，进行共混挤出，温度控制在100℃左右，挤出物经压延、冷却、牵引、卷取工序，即得到本发明热导率约为0.98W/m·K的高导热复合EVA背封绝缘胶膜。

本实施例中，所述强化换热背封件5具有强化换热流道，由高导热填料(石墨)填充耐候型聚合物树脂(聚碳酸酯)，制得导热复合材料后，模塑而成；强化换热流道采用具有导流挡板12、截面为方形的流道，呈平行排列，如图4所示。所述电池组件框体6由铝合金制成，并且将框体加工成便于输送换热介质(水)的结构，能有效地提高电-热联用光伏电池组件实际使用时的传/换热性能、光-电转换效率和太阳能综合利用率。本实施例适合以水为换热介质，不易结垢；换热后的水可直接用作工、农业生产和家用预热水，以及供热等用途。在框体的下端设有空气进口8，上端设有抽气口9，左端设有进水口10，右端设有出水口11，在框体内设有电池芯片7。

实施例2

参考图1、图2、图5所示，一种电-热联用太阳电池组件，包括便于输送换热介质(空气)的组件框体6及安装于该框体6内带有强化换热背封件的组件结构；所述组件结构包括：光伏玻璃制成的透光前板1、透明EVA密封层2、被透明EVA密封层2和导热复合EVA背封胶膜4封装的电池芯片与电路3，以及具有强化传热梳齿的换热封闭背封件5。所述透光前板(光伏玻璃或塑料)、透明EVA层、太阳电池芯片及电路均采用现有成熟技术，适用目前各种组合的太阳电池结构。所述导热复合EVA背封胶膜由EVA树脂与高导热绝缘填料晶硅粉及其它组份经过功能复合共混挤出后，压延制得；该导热背封胶膜与强化换热背封件直接层压贴合，可以将组件接收的红外辐射热和耦合产生的热量高效地传递至强化换热背封件并热交换；极大地提升了背封胶膜的传热效果，以及电-热联用电池组件的光-电转换效率和太阳能综合利用率。

本实施例中，按如下工艺制备高导热复合EVA背封绝缘胶膜：

先用2.0份硅烷偶联剂对230份平均粒径约1.7μm的导热绝缘填料晶硅粉进行润湿、干燥和分散预处理；再将预处理的导热填料晶硅粉与1.5份的交联固化剂混合均匀；然后，将其与100份乙烯-醋酸乙烯共聚物料粒、剩余的1.5份硅烷偶联剂、0.3份抗氧化剂、0.2份紫外光吸收剂和0.2份光稳定剂的预混物混合均匀后，进行共混挤出，温度控制在100℃左右，挤出物经压延、冷却、牵引、卷取工序，即得到本发明热导半约为0.95W/m·K的高导热复合EVA背封绝缘胶膜。

本实施例中，所述强化换热背封件具有强化传热梳齿结构，由铝合金材料制成；散热梳齿采用具有较大换热表面积的八星柱型，呈错行排布，如图5所示。所述电池组件框体也采用铝合金制成，并且将框体加工成便于输送换热介质(空气)的结构，能有效地提高电-热联用光伏电池组件实际使用时的传/换热性能、光-电转换效率和太阳能综合利用率。本实施例适合以空气为换热介质；换热后的空气可直接用于调节室温、供热等用途。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。

Claims

1.一种增效电-热联用太阳电池组件，包括便于输送换热介质的框体及安装于该框体内的组件结构，所述的组件结构依次由透光前板、透明EVA层、被封装胶膜密封的太阳电池芯片及电路、导热复合EVA背封胶膜以及换热背封件构成；其特征在于，所述的导热复合EVA背封胶膜为高导热填料复合EVA背封绝缘胶膜；所述换热封闭背封件为具有强化传热流道或梳齿结构的封闭背封件；导热复合EVA背封胶膜与换热背封件直接层压贴合。

2.如权利要求1所述的一种增效电-热联用太阳电池组件，其特征在于，所述的导热复合EVA背封胶膜为EVA树脂与高导热绝缘填料经过功能复合而制得的高导热复合EVA背封绝缘胶膜。

3.如权利要求1所述的一种增效电-热联用太阳电池组件，其特征在于，所述的导热复合EVA背封胶膜，其原料重量配比为，乙烯-醋酸乙烯共聚物料粒100份、有机过氧化物交联固化剂0.5～2.0份、导热填料50～350份、抗氧化剂0.1～1.0份、紫外光吸收剂0.1～1.0份、光稳定剂0.1～1.0份、硅烷偶联剂1.0～5.0份。

4.如权利要求2所述的一种增效电-热联用太阳电池组件，其特征在于，所述导热绝缘填料为BN、Si₃N₄、B₄C、晶硅粉或SiC中的一种，其粒度范围为0.1～10μm。

5.如权利要求1所述的一种增效电-热联用太阳电池组件，其特征在于，所述的导热复合EVA背封胶膜的制备方法，其具体步骤为：

先用0.5～3.0份偶联剂对50～350份的导热填料进行润湿、干燥和分散预处理；再将预处理的导热填料与0.5～2.0份的交联固化剂混合均匀；然后，将其与100份乙烯-醋酸乙烯共聚物料粒、剩余的0.5～2.0份硅烷偶联剂、0.1～1.0份抗氧化剂、0.1～1.0份紫外光吸收剂和0.1～1.0份光稳定剂的预混物混合均匀后，进行共混挤出，温度控制在90～110℃，挤出物经压延、冷却、牵引、卷取工序，即得到导热复合EVA背封胶膜。

6.如权利要求1所述的一种增效电-热联用太阳电池组件，其特征在于，所述的换热封闭背封件由导热复合材料或金属制成，具有强化换热流道或梳齿结构；导热复合材料由高导热填料填充耐候型聚合物树脂，制得导热复合材料后，模塑而成。

7.如权利要求6所述的一种增效电-热联用太阳电池组件，其特征在于，所述的强化换热流道采用具有导流挡板、截面为方形的流道，呈平行排列。

8.如权利要求6所述的一种增效电-热联用太阳电池组件，其特征在于，所述的强化换热梳齿则采用具有较大换热表面积的三～八星柱型，以及三角柱、方柱和圆柱型，呈错行排布。

9.如权利要求6所述的一种增效电-热联用太阳电池组件，其特征在于，所述高导热填料为石墨、铝粉或铜粉中的一种。

10.如权利要求6所述的一种增效电-热联用太阳电池组件，其特征在于，所述耐候型聚合物树脂为聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、PET、PBT、ABS、PVC或聚偏二氯乙烯中的一种。